什么是bandgap电压？

Bandgap（带隙基准）在电路中的作用非常关键，它就像电路世界里的“定海神针”，提供一个几乎不随温度、电源电压和工艺变化的稳定参考电压。这个电压通常与半导体材料的带隙能量有关，对于硅（Si）材料，这个值大约在 1.2V 左右。

基本原理：PTAT与CTAT的温度补偿

Bandgap的核心思想是利用两种相反的电压温度特性进行叠加抵消：

• CTAT（负温度系数电压）

  • 来源：BJT晶体管的基极-发射极电压（VBE）

  • 特性：VBE随温度升高而降低，典型值约−2mV/°C。其物理本质源于半导体材料的带隙（Bandgap）及PN结的载流子热激发特性

  • 数学表达：VBE≈Vg−aT（ Vg为硅带隙电压≈1.22V，a为常数）

• PTAT（正温度系数电压）

  • 来源：两个匹配BJT的基极-发射极电压差（ΔVBE）

  • 生成方式：

    • 方案1：两BJT工作电流相同，但发射结面积比 N:1（面积大的VBE更小）

    • 方案2：两BJT面积相同，但工作电流比 M:1（电流大的 VBE更小）

  • 特性：ΔVBE=kT/q*ln(N)或kT/q*ln(M)，其中 k 为玻尔兹曼常数，q 为电子电荷量。ΔVBE与绝对温度 T 成正比（+0.087 mV/°C）

• 温度补偿机制

  • 输出电压公式：VREF=VBE+K⋅ΔVBE，其中 K 为设计参数

  • 目标：调整 K 使CTAT与PTAT的斜率抵消，满足：

Bandgap 电路通常包含哪些部分？

• 核心电压产生电路：主要是利用BJT和电阻网络来产生PTAT和CTAT电压

• 运算放大器：用于强制节点电位匹配，维持正确的电流关系，是闭环系统的核心

• 偏置电流源：为整个电路提供稳定且与电源电压无关的偏置电流

• 输出缓冲器（可选）：用于增强带载能力，防止后级电路对基准源精度造成影响。

工作原理

上图为一个典型的电流镜。所以I1=I2：

• I1=I2，即Q2和Q1的集电极电流相等

• Q2发射极面积是Q1的N倍

• 由于运放的存在VA = VB

• 如果两个BJT的集电极电流Ic相同，但是发射极面积不同，那么他们VBE之间的压差ΔVBE也是一个与温度正相关的电压。

• Vout = VBE + I2（R1+R2）

  Vout = VBE + ΔVBE（R1+R2）/ R1

  调节R2/ R1比值，使PTAT抵消CTAT效应

• trim：trim过程即调整电阻值，补偿工艺导致的 VREF偏移

设计挑战与考量

• 运算放大器失调电压：运放的输入失调电压会被放大并直接影响输出电压的精度和温漂，是主要误差源之一

• 工艺偏差：制造过程中晶体管和电阻的参数会存在偏差，可能导致输出电压和温度系数偏离设计值。通常需要通过修调（Trimming） 技术来校准

• 高阶温度效应（曲率）：一阶补偿后，V_BE本身还存在微弱的非线性温度项（曲率效应），需要进行曲率补偿才能实现极低的温漂（如<5 ppm/°C）

• 噪声抑制：基准电压的输出噪声需要尽可能低，尤其是在高精度应用中